单层索网幕墙设计要点的探讨

单层索网幕墙设计要点的探讨
玻璃幕墙作为现代建筑的“外衣”在一定程度上是现代建筑的重要表现手法。

建筑师们在进行建筑设计过程中把人与自然的交流，人们的视觉效果放到了一个非常重要的位置。

采用拉索支撑结构的越来越多，特别是单向拉索幕墙和单层索网幕墙，因其结构形式简单、通透而广泛被人们接受。

张拉索网结构点连接全玻璃幕墙是将玻璃幕墙面板用钢爪或夹具固定在张拉索网结构上的全玻幕墙。

它由三部分组成：玻璃面板、张拉索网结构、锚定结构。

张拉索网结构是跨越幕墙支撑跨度的重要构件，张拉索网结构悬挂在锚定结构上，它由按一定规律布置的高张拉强度索网及夹具组成，张拉索网起着形成幕墙系统，承担幕墙承受的荷载并将其荷载传至锚定结构的任务。

1 工程简介
招商局上海中心位于世博园区一轴四馆西侧，东临世博馆路，西至长青北路，南邻国展路，北至世博大道，规划用地面积18.72公顷。

为使建筑物内部形成封闭明亮的中庭，在建筑东北角2～7层，标高5.5m～25.3m设置单层索网玻璃幕墙。

该轮廓尺寸8m+16.4m+16.55m，由竖向Φ42主受力索和横向Φ20次受力索正交布置，构成2050mmX1720mm的索网格。

玻璃选择，由于玻璃板块为2050mmX1720mm，大厅内外属于人流密集比较大的地方，故采用了双夹胶玻璃，但需镀low-e，为增加其通透性，采用三银low-e，为减轻玻璃的厚度，我们在设计当中采用SGP胶片。

玻璃规格为8+1.52SGP+6low-e+12A+6+1.52SGP+8钢化中空三银双夹胶玻璃。

2、系统构造设计
2.1.防止夹具与索滑移的构件：
吊索长期主要承受着重力作用及风压作用，容易产生滑移，为解决这一问题，驳接件专业公司利用钢索特性，在夹具前端采用曲面压紧装置，并做成齿纹状，以增大摩擦力，防止滑移的产生，并经过相应计算验证夹板螺钉预紧力检测提供产品。

2.2.抗震措施：
风和地震荷载，对幕墙都会产生动力的作用，特别在索结构的情况下，动力作用尤为敏感。

因此，提高幕墙结构抗动荷载的能力，增加稳定性，加强节点联结的可靠性等就显得非常重要。

具体措施有：
首先加强幕墙的整体性，将幕墙边界条件和主体结构联成整体，提高整片幕墙总体刚度和稳定性。

其次，对处于矩形爪点处采用正交索固定防止松动或移位；并增加爪点托块上的螺栓数量，防止松动的产生。

同时，对每块玻璃的支撑点式边，都用硬质橡胶块固定，使每块玻璃没有任何位移的可能（不仅仅打胶），同时又防止玻璃与金属边接触而挤坏。

以上措施的同时采用，将有效的提高幕墙的抗震能力。

2.3.测定仪：
索体系的应力快速侧定仪，是拉索玻璃幕墙施工的关键设备，使用应力快速测定仪，可以直接准确地读出每根索的应力，为索体系的快速调试创造了有利条件。

这一装置也可以确保整个幕墙受力均衡。

不仅在施工中会用到它，在幕墙的保养、维修中也被经常使用。

2.4.索夹具：
预应力索结构夹具，不仅是幕墙的受力构件，也是幕墙玻璃的定位构件，在整个幕墙结构中处于非常重要的地位，它外型美观，是索结构幕墙的重要组成部份。

在夹具的前后分别有两根相互垂直的单索从中穿过，形成索网体系，每组索都必须有调整和锁紧两套装置。

有了这两套系统就可以充分保证索的应力均衡，不会产生应力集中，也便于调整，保证幕墙面的平整。

球铰玻璃夹具是在夹具和玻璃之间采用球铰结构，球铰中心基本在玻璃厚度中心。

依据点支式幕墙玻璃变形的大挠度原理，玻璃产生允许变形，但玻璃应力大幅度降低。

对于双曲面幕墙、弧形、折线幕墙，玻璃间有夹角，采用球铰玻璃夹具，其优势更加明显，只要把球铰转动角度为（α/2+5°）即可，由于索网幕墙为柔性结构体系，玻璃的角部容易与夹具产生挤压造成玻璃应力集中，导致玻璃破碎，玻璃与夹具之间需预留克服变形的间隙。

玻璃夹具与玻璃间隙的验算：
① 承受风压荷载极限变形工况下
如下图所示：玻璃位移S1=5-4.28=0.72mm
（1）变形前
（2）变形后
A：变形前玻璃夹具与玻璃间隙B：变形后玻璃夹具与玻璃间隙
② 温度影响下的热胀冷缩变形
S2=α*ΔT*L =1.0×10-5×80×2200=1.76mm
玻璃总变形：
S=S1+S2=0.72+1.76=2.48mm
2.48mm<5mm，满足要求
3、单层索网玻璃幕墙各设计参数的确定
单层平面索网体系是柔性的张拉结构，在没有施加预应力（预拉力）之前没有刚度，体系处于不稳定状态，必须通过施加适当的预应力（预拉力）赋予其一定的形状，才能承受面外荷载的作用，它的最终承载力与变形终态的位移有很大关系，其结构刚度又与预应力（预拉力）大小密切相关，所以在单层索网幕墙设计中，预拉力的大小与相对挠度容许值[f]是两个关键参数。

单层索网点支承玻璃幕墙，在构造上主要由预应力拉索、连接夹具、玻璃面板三部分组成，玻璃的四个角点通过夹具和索连接，玻璃和玻璃之间采用硅酮密封胶连接。

作用于玻璃幕墙上的平面外荷载通过玻璃的连接机构转化成节点荷载P，节点荷载P作用在索网结构上，只要在索网中有足够的预应力和相对挠度f，就可以满足力学的平衡条件。

作用于玻璃幕墙上的平面外荷载通过玻璃的连接机构转化成节点荷载P，节点荷载P作用在索网结构上，当P为某一确定值时，索的预应力（预拉力N0）越大，索的相对挠度f就越小，但索在终态时所受的内力会越大，需要选择更强的索材料、更大的索截面，索两端的支反力也越大，对应的主支承结构也需要相应增强，会造成极大的浪费。

因此，设计索结构时应综合考虑，将索的相对挠度f及索的预应力（预拉力N0）都应控制在合理的范围内，以选择合理的索直径。

3.1索相对挠度容许值[f]的确定
单层索网必须在变形之后才能承受平面外荷载作用，为减小承力索终态时所受的内力，单索网幕墙必然有很大的变形，一般可将相对挠度[f]（即达到最大变形后的矢跨比）设定在1/50～1/80之间。

此时对应的绝对位移[δ]较大，在初步确定时需考虑人的心理承受能力、建筑的视觉效果等。

同时，在幕墙设计还必须考虑幕墙各节点承受变形的能力，如玻璃和玻璃之间的胶缝宽度、玻璃和网索之间的连结装置（玻璃平面内驳接爪和玻璃孔之间的缝隙或其他形式的夹具与玻璃面之间的可用间隙等）来吸收和承受这样大的变形。

当结构受平面外荷载作用变形后，幕墙必须安全、可靠。

3.2索的预拉力N0确定
索的预拉力N0的设定，应满足以下条件：
⑴能够抵抗面内荷载而不会松弛：如，参与承受面外荷载的竖直幕墻的竖向索，常常也需要承受面内的重力荷载，设此值为N01。

⑵能够抵抗热胀温差效应而不会松弛：设定合拢温度和施工时的预拉力调节值，考虑年最高使用温度与合拢温度的差值T时的热胀，设此值为N02，则N02=E*α*T*A，式中，E为索的弹性模量，A为初选索的有效截面积，α为索的热胀系数。

⑶根据实际情况考虑索的支撑结构在索的预拉力施加完成后沿索轴线方向的微量变形导致的预拉力损失：设微量变形为L，则N03=E*L*AL，式中，E为索的弹性模量，A为初选索的有效截面积，L为索的跨度。

⑷保证外力作用下索的变形不超过控制值：可用分析软件计算并调整，设此值为N04。

综上所述，预应力应考虑以上四种情况，并按照荷载规范进行组合。

3.3索的支反力确定
通常情况下，索的两端支反力相同，但也有两端支反力不相等的情况。

如：参与承受面外荷载的竖直幕墙的竖向索，一般也用来承受面内的重力荷载，此时，其上支点的支反力较大，是面外荷载P作用下产生的支反力与重力荷载产生的支反力的矢量和；而下支点的支反力较小，是面外荷载P作用下产生的支反力与重力荷载的矢量差。

面外荷载P作用下产生的支反力，可直接从软件计算中得到。

3.4索工作内力的确定
①面外荷载设计值P作用下索的内力增加值ΔN1可直接从软件计算中得到，也可以按线性、静力学方式，采用手工计算方法初步求出。

采用手工计算时，应加入两个条件：同一节点索力与作用力平衡，同一点位移相同。

②温差效应作用下索的内力增加值ΔN2由于温差产生的冷缩效应：设定合拢温度和施工时的预拉力调节值，考虑年最低使用温度与合拢温度的差值T时的冷缩，，则ΔN2=E*α*T*A，式中，E为索的弹性模量，A为初选索的有效截面积，α为索的热胀系数。

③面内荷载（如自重）设计值作用下索的内力增加值ΔN3如，参与承受面外荷载的竖直幕墙的竖向索，常常也需要承受面内的重力荷载，设此值为ΔN3。

综上所述，索的工作内力应考虑以上四种情况，并按照荷载规范进行组合。

3.5索的直径和强度等级的确定
根据索的最大工作内力Nmax，按《索结构技术规程》JGJ257-2012，考虑索本身的安全系数2.0，按索的最小破断力P=2.0Nmax选择相应的索的直径和索的强度等级。

3.6安装时的变形问题
索变形后会伸长，而玻璃不会伸长，其差值需要靠胶缝变形来调节。

因此，胶缝宽度设计时应特别注意。

同时，单索幕墙建议不采用打孔的接驳爪，而采用其他形式的夹具。

若一定要采用接驳爪，需要采用专门设计的、能够适应大变形的接驳爪。

3.7预拉力取值
横、纵索的预拉力应根据需要分别取值，即使其直径相同也不例外。

而且可以根据横向、纵向索的支承结构的承力能力进行调整。

结束语：
根据上述提出一些问题，为保证索网结构幕墙的安全和实现建筑美感，需要充各个方面认真考虑。

减少后期使用时会出现的安全隐患事先做好预防措施，使索网幕墙的安全性达到明显的提高和保证。

参考文献：
[1]《玻璃幕墙工程工程技术规范·理解与应用》张芹主编中国建筑工业出版社2004.8
[2]李东彬，吕国玉. 《预应力筋用锚具、夹具和连接器应用技术规程》JGJ85-2010修订简介[J]. 施工技术，2010，12：116-119.
[4]《索结构技术规程》（JGJ257—2012）发布[J]. 建筑结构，2012，08：136.。